Analysieren von Organischen Foto-voltaischen Materialien und von Einheiten unter Verwendung der Neuen Scannen-Fühler-Techniken durch Asyl-Forschung

Themen Umfaßt

Zusammenfassung
Einleitung
Analyse von Nanoscale-Morphologie
Zeit-Entschlossene Elektrostatische Kraft-Mikroskopie (trEFM)
trEFM Experiment
Fotoleitende AtomKraft-Mikroskopie (pcAFM)
Zusammenfassung und Aussicht

Zusammenfassung

Organische Solarzellen halten Versprechen als die wirtschaftlichen Mittelwerte des Erntens der Solarenergie wegen ihrer Leichtigkeit der Produktion und des Aufbereitens an. Jedoch ist die Leistungsfähigkeit solcher organischen (OPV) photo-voltaischen Einheiten aktuell unter der, die für weit verbreitete Annahme benötigt wird. Die Leistungsfähigkeit eines OPV wird unentwirrbar mit seiner nanoscale Morphologie verbunden. Hochauflösende Metrologie kann eine Schlüsselrolle in der Entdeckung und in der Optimierung von neuen organischen Halbleitern im Labor spielen sowie unterstützt den Übergang von OPVs vom Labor zur Großserienfertigung. Wir wiederholen die instrumentellen Punkte, die mit der Anwendung von Scannenfühler-Mikroskopietechniken wie fotoleitender Atomkraftmikroskopie und zeit-entschlossener Mikroskopie der elektrostatischen Kraft, die, verbunden sind gezeigt worden sind, um in der Studie von nanostructured organischen Solarzellen nützlich zu sein. Diese Techniken bieten eindeutigen Einblick in die zugrunde liegende Uneinheitlichkeit von OPV-Einheiten an und bieten eine nanoscale Basis für das Verständnis, wie Morphologie direkt OPV-Operation beeinflußt. Schließlich behandeln wir Gelegenheiten für weitere Verbesserungen in der Scannenfühlermikroskopie, zu OPV-Entwicklung beizutragen. Alle Maße und Darstellung, die in dieser Anwendungsanmerkung behandelt wurden, wurden mit einem AtomKraft-Mikroskop der Asyl-Forschungs-MFP-3D-BIO™ durchgeführt.

Einleitung

OPV-Materialien sind eine auftauchende alternative Technologie für das Konvertieren des Sonnenlichts in Strom. OPVs sind möglicherweise sehr billig aufzubereiten, in hohem Grade ersteigbar im Hinblick auf Herstellung, und kompatibel mit mechanisch flexiblen Substratflächen. In einer OPV-Einheit werden Halbleiterpolymere oder kleine organische Moleküle verwendet, um die Funktionen des Montierens von Solarphotonen, des Konvertierens der Photonen in elektrische Ladung und des Transportierens der Ladungen zu einer externen Schaltung als brauchbarer Strom durchzuführen.

Zur Zeit sind die intensiv-studierten und höchsten AusführungsOPV-Anlagen die, die Massenmischungen des heterojunction (oder BHJ) als die aktive Schicht einsetzen, wenn die NREL-zugelassene Energieaufbereitungs-Leistungsfähigkeit scheinbar monatlich verbessernd und aktuell bei 6,77% steht. In einer Massenheterojunctionsmischung werden das Spender- und Akzeptantmaterial gewöhnlich in gelöster Form gemischt, und die Mischung wird dann auf der Substratfläche beschichtet, um die aktive Schicht zu bilden. Die Spender-/Akzeptantpaare können aus zwei verschiedenen konjugierten Polymeren bestehen, aber es ist häufig ein konjugiertes Polymer (Spender) und ein lösliches Fullerenederivat (Akzeptant). Die Abbildung in der Abbildung 1a zeigt eine typische BHJ-basierte OPV-Einheitsarchitektur.

Trotz der Fortschritte der letzten Jahre, ist die Leistungsfähigkeit von OPVs noch unterhalb der Stufe, die für industrielle Entwicklungsfähigkeit benötigt wird. Der Pfad in Richtung zu verbesserter OPV-Leistungsfähigkeit sieht Geradeaus aus und Forscher arbeiten aktiv an Zielen wie besserer Dichte des Sonnenspektrums, um Strom zu erhöhen und hergestellten Energieniveaus der Spender und der Akzeptanten, um höhere Spannungen der offenen Schaltung zu gewinnen. Jedoch werden diese andernfalls Geradeausprobleme in der Materialsynthese durch die Tatsache erschwert, dass die Beschaffenheit oder die Morphologie, der Spenderakzeptantmischung - die für die genauen Zustände empfindlich ist von, wie die Mischung zu einem Dünnfilm aufbereitet wurde - einen drastischen Effekt auf die Leistung von OPVs hat. Die Bedeutung der Morphologie ergibt sich aus den konkurrierenden Nachfragen einiger mikroskopischer Prozesse. Zuerst wenn Leuchte in einem organischen Halbleiter absorbiert wird, produziert die Energie ein neutrales quasiparticle oder Exciton, eher als frei Ladungsträger. In den meisten organischen Solarzellen wird der Exciton gewöhnlich in freie Ladungen an der Schnittstelle zwischen zwei verschiedenen organischen Halbleitern mit unterschiedlicher Elektronenaffinität getrennt, folglich mischt der weit verbreitete Gebrauch des Spenders/des Akzeptanten. Jedoch während die aktive Schicht einer organischen Solarzelle ~100-200nm sein muss, dick, zum die meisten der Vorfallleuchte zu absorbieren, ist die Diffusionslänge eines Exciton ~10nm, und folglich müssen die Spender- und Akzeptantmaterialien auf diesem Längenschuppenertrag ein effiziente Einheit Misch sein.



Abbildung 1. (a) Diagramm einer organischen photo-voltaischen Einheit des typischen Massenheterojunction. Schematische Diagramme des (b) trEFM und (c) pcAFM der experimentellen Installationen basiert auf FLUGHANDBUCH-Anlage DAS MFP-3D-BIO™ der Asyl-Forschung.

Analyse von Nanoscale-Morphologie

Analyse dieser nanoscale Morphologie benötigt das hochauflösende räumliche Abbilden der aktiven Schicht, besonders unter Verwendung der Scannenfühlertechniken wie Atomkraftmikroskopie (AFM) und seine verschiedenen Extensionen. Scannende Fühlermikroskopie ist wegen der Fähigkeit zum Bild an den Auflösungen besonders nützlich, die der ~10-100nm Schuppe der Gebiete sich nähern, die in geläufigen OPV-Materialien beobachtet werden. Einige Gruppen haben zum Beispiel OPV-Anlagen unter Verwendung FLUGHANDBUCHS, der Leit-FLUGHANDBUCH, Mikroskopie der elektrostatischen Kraft (EFM) und Scannen Kelvin-Fühlermikroskopie analysiert (SKPM). Optische Varianten wie Nahfeld, das optische Mikroskopie (NSOM) scannt und Tunnelbau Lumineszenz-basiertes FLUGHANDBUCH sind auch verwendet worden, um OPV-Mischungsmorphologie zu prüfen.

Wir haben vor kurzem den breiten Gebrauch von Scannenfühlermikroskopie auf dem Gebiet der organischen Elektronik wiederholt und spezielle Bereiche von nanoscale Physik gekennzeichnet, die zu OPV-Operation wichtig sind. In diesem Artikel nehmen wir eine praktischere Drehung und behandeln die experimentellen Herausforderungen und die Gelegenheiten, die mit zwei verschiedenen FLUGHANDBUCH-Techniken, fotoleitendem FLUGHANDBUCH (pcAFM) verbunden sind und zeit-entschlossenen EFM (trEFM) die verwendete Hilfe gewesen sind, verstehen, wie Morphologie OPV-Leistung auswirkt.

trEFM ist eine berührungsfreie Technik, die zeit-entschlossene Maße auf OPV-Schichten verwendet, um die lokalen Schwankungen der photoinduced Ladungsgeneration, -sammlung und -einleitung zu analysieren, während pcAFM eine Kontaktmodus Methode ist, die das photocurrent direkt misst, um nützliche Informationen der lokalen Morphologie und seiner Beziehung zum lokalen photoresponse einzuholen. Stellen Sie dar, dass Show 1b und 1c, die ein schematisches Diagramm der Instrumentierung im trEFM und im pcAFM verwendete. In unserem Labor haben wir Techniken unter Verwendung FLUGHANDBUCHS DAS MFP-3D-BIO der Asyl-Forschung eingeführt, das zu einem umgekehrten optischen Mikroskop Nikon TE2000-U verbunden wird und unter Verwendung einer Reihe des kundenspezifischen Codes gesteuert ist, die in Igor (WaveMetrics, Inc.) geschrieben wird, die wissenschaftliche Software-Umgebung, die durch das AFMs der Asyl-Forschung verwendet wird. Die Anlage wird an einem optischen Versuchsaufbau einer Schaltung montiert, um externe Optik (Thor-Labors) anzupassen und wird durch eine passive Schwingungsisolierungsstufe unterstützt (Minus K-Technologie). Graufilter (ND) erlauben uns, die Beleuchtungsintensität in beiden Techniken einzustellen. Die gesamte Anlage wird innerhalb eines Sperrholzkastens mit kupfernem Abschirmungsund akustisch-Dämpfungsschaumgummi der Masche untergebracht. Um möglicherweise luftempfindliche Proben vor Fotooxydierung zu schützen, verwenden wir eine gedichtete flüssige Zelle des Asyls Forschung. Ursprünglich konstruiert für biologische Proben der Darstellung unter Flüssigkeit, ermöglicht die Auslegung das Laden von empfindlichen Proben in die Zelle in einem Handschuhfach und erlaubt uns, Maße durchzuführen, während sie mit trockenem Stickstoff gereinigt wird. Dieser Anflug verhindert den Bedarf, die gesamte AFM-/opticalanlage in ein Handschuhfach einzubauen.

Zeit-Entschlossene Elektrostatische Kraft-Mikroskopie (trEFM)

Bevor wir die Besonderen von trEFM behandeln, wiederholen wir zuerst kurz Dauerzustand EFM. Ausführlichere Beschreibungen von herkömmlichem Dauerzustand EFM können anderswo gefunden werden. EFM ist ein Formular der WS-Modusdarstellung. Während die meisten FLUGHANDBUCH-Benutzer mit geläufigeren Formularen der WS-Modusdarstellung vertraut sind, die Interaktionen van Der Waals zwischen der Spitze und der Probe zur Bildbeispieltopographie (z.B. „zeitweiliges Kontaktmodus FLUGHANDBUCH ") EFM ausnutzen, nutzt die Tatsache aus, dass der Schwingungsantrag des Kragbalkens auch für elektrostatische Langstreckeninteraktionen zwischen der Spitze und der Probe empfindlich ist. In einem geläufigen EFM-Aufnahmemodus werden diese elektrostatischen Interaktionen geüberwacht, indem man ihren Effekt auf freitragende Resonanzfrequenz misst, während der Kragbalken hergestellt wird, um irgendeinen Abstand (~10nm) über der Beispieloberfläche zu vibrieren. Die Interaktionen mit der Oberfläche in diesem Abstand werden durch lokale Steigungen der elektrostatischen Kraft beherrscht, und die Schicht in der freitragenden Resonanzfrequenz ist zur lokalen kapazitiven Steigung und zur Spannungsdifferenz zwischen der Spitze und der Probe proportional. Die Frequenzschicht (f) kann wie geschrieben werden:

Hier ist C die Kapazitanz, ist z auf die relative Spitzenhöhe, isttip V die Spannung, die an der Spitze angewendet wird, und Vsample ist das lokale Potenzial in der Probe. In einem typischen Experiment des Dauerzustandes EFM wird eine Zeile in WS-Modus gescannt, um die Beispieltopographie aufzuzeichnen; die Spitze wird dann ein Voreinstellungsabstand (zum Beispiel 20nm) über zur Reichweite der Kurzstrecken-Kräfte van hinaus Der Waals angehoben, und die Schicht in der Eigenfrequenz des Kragbalkens wird gemessen, während eine Spannung zwischen der Spitze und der Probe angewandt ist.

Wenn herkömmlich, ist EFM in der Kennzeichnung einer Vielzahl der statischen oder quasistatic Prozesse in den organischen elektronischen Geräten nützlich gewesen, der Parameter wie Oberflächenpotential und des kapazitiven Steigungsausfallung, direkte Informationen über die lokale Leistungsfähigkeit einer Dünnschichtsolarzelle zur Verfügung zu stellen. Um diese Beschränkung zu adressieren, haben wir die Fähigkeit von EFM ausgedehnt um die Studie von zeitabhängigen Phänomenen an den Unterfrau Zeitschuppen unter Verwendung des trEFM zu aktivieren. Mit trEFM können wir das vorübergehende Verhalten in der Steigung der elektrostatischen Kraft messen. Speziell in unserer anwesenden Implementierung, überwachen wir die zeitabhängige Frequenzschicht in Gleichung 1, die möglicherweise zum Beispiel aus der schnellen Aufspeicherung der photogenerated Ladung in einer Solarzelle nach Beleuchtung resultiert, oder in der schnellen Abfangen- und Detrappingkinetik von Ladungsträgern auf Unterfrau Zeitschuppen.

trEFM Experiment

Abbildung 2a stellt die Operation eines trEFM Experimentes zu Maßnahme photogenerated Ladung dar. In der Dunkelheit wird die Halbleiterplatte größtenteils von den Ladungsträgern verbraucht. Die Probe wird dann mit einem Lichtimpuls geleuchtet und das photoexcitation des OPV-Materials erzeugt Ladungsträger. Wegen der angewandten Spannung auf dem Umkippung (in unseren Experimenten gewöhnlich 5-10V), migrieren diese photogenerated Ladungsträger zu den Gegenseiten der aktiven Schicht. Die resultierende Aufspeicherung der Ladung ändert die Steigung der Kapazitanz und der elektrostatischen Kraft und der Reihe nach verursacht eine Resonanzfrequenzschicht entsprechend Gleichung 1. Indem wir kontinuierlich ƒ mit ~100µs-Zeitauflösung messen, sind wir in der Lage, eine Aufladungskurve aufzuzeichnen und den lokalen Gebührensatz im Material zu bestimmen (Abbildung 2b). Während die Fähigkeit, dynamische Prozesse zu studieren ein offensichtlicher Vorteil von trEFM ist, haben wir gefunden, dass ein anderer beträchtlicher Vorteil von trEFM ist, dass er scheint, für Spitzenverunreinigung als herkömmliches EFM oder SKPM weniger empfindlich zu sein. Wir zuschreiben diese hinzugefügte Robustheit der Tatsache, dass trEFM eine Änderungsgeschwindigkeit eher als ein absoluter Wert und also sind weniger empfindlich für Verunreinigung und sind infolgedessen eine wiederholbarere und robustere Technik misst.



Abbildung 2. (a) Schematische Beschreibung von, wie photogenerated Ladungsträger eine Zunahme der kapazitiven Steigung und einer Änderung im Oberflächenpotential und folglich eine Schicht in der Resonanzfrequenz verursachen. Die Zeitänderungsgeschwindigkeit in dieser Schicht ist, was durch trEFM gemessen wird. (b) Repräsentativplan der Resonanzfrequenzschicht gegen die Zeit, die photoexcitation folgt. An Frau der Zeit t=0 wird die LED eingeschaltet und verursacht einen exponentialen Zerfall in der Frequenzschicht. Indem wir die Zeitkonstante dieses Zerfalls finden, können wir einen relativen Gebührensatz extrahieren. (c) Topographie und (d) Gebührensatzbild für den gleichen Bereich eines PFB: F8BT-Probe, aufgelöst in den Xylenen mit 1:1zusammensetzung. (e) Räumlich-Durchschnitt Berechnete Gebührensätze in den Filmen mit verschiedenem PFB: F8BT-Verhältnisse sind mit der Tendenz quantitativ in Einklang, die durch EQE-Maße aufgewiesen wird.

In unseren Experimenten verwenden wir häufig kommerzielle Pint-Überzogene Kragbalken (wie Budget-Fühler ElectricTap-300G) mit Federkonstante K ~ 40N/m und Resonanzfrequenz f ~ 300kHz. Wir photoexcite die Probe mit Beleuchtung pulsieren von LED, die an den verschiedenen Wellenlängen abhängig von den Absorptionseigenschaften der Probe funktioniert. Für unsere Studien von polyfluorene Polymeren, verwenden wir gewöhnlich ein 405nm LED (LEDtronics L200CUV405-8D16). trEFM ist genug empfindlich, dass die Beleuchtung der geringen Stärke LED, die mit Sun 1 oder kleiner gleichwertig ist, genügend ist, ein Nutzsignal zu produzieren. Verminderung der Lichtstärke unter Verwendung verschiedener ND-Filter kann verwendet werden, um die Gesamtaufladezeit einzustellen, damit es lang genug sauber gelöst werden soll, aber schnell genug, Wiederholungsmessungen gefügig zu machen.

Um ein Bild zu erzeugen, pulsieren wir die LED in jeder Stellung auf der Probe und zeichnen dann die resultierende Frequenzschicht als Funktion der Zeit, mit dem Ergebnis Pläne wie die in der Abbildung 2b auf. Eine Funktion des exponentialen Zerfalls wird dann zum Zerfall der Frequenzschicht befestigt, und diese Zerfallskonstante steht auf dem photocurrent wir möchten messen in Verbindung. Wir wiederholen diesen Prozess, damit jedes Pixel simultane Gebührensatz- und Topographiebilder erzeugt. Weil der Aufladungsprozeß verhältnismäßig schnell ist, nimmt ein 256 x 256 Auflösung trEFM Bild ungefähr zwanzig Minuten, um zu erwerben, das mit Standard-SKPM-Techniken vergleichbar ist. Die Fähigkeit, den freitragenden Antrag mit schnellerer Zeitauflösung aufzuzeichnen, die mit der neuen Generation von FLUGHANDBUCH-Kleinteilen möglich sein sollte, würde den Gebrauch von Lichtimpulsen der höheren Intensität erlauben und Darstellung sogar schneller machen.

Als ein Beispiel der Fähigkeiten dieser Technik, haben wir trEFM verwendet, um das photoinduced Aufladungsverhalten in allpolymer OPV Mischungen zu erforschen, in diesem Fall Poly- (9,9' - Dioctylfluoreneco-benzothiadiazole) (F8BT) und Poly (9,9' - Dioctylfluorene-CobIS-N, N'-phenyl-1,3- Phenylenediamine) (PFB). Wir wählten PFB: F8BT mischt als Modellsystem wegen der breiten Literatur, welche die Effekte der Aufbereiten und Mischungsmorphologie auf ihre Leistung behandelt. Indem wir die Topographie (Abbildung 2c) mit dem Gebührensatzbild (Abbildung 2d) vergleichen, können wir das Verhältnis zwischen Aufladungsverhalten und dem lokalen PFB analysieren: F8BT-Filmzusammensetzung. Wir haben das Hilfsprogramm von trEFM als analytische Technik bestätigt, indem wir zeigten, dass der räumlich-Durchschnitt berechnete lokale Gebührensatz und die gemessene externe Quantenausbeute (EQE) für eine große Auswahl von Mischungsverhältnissen aufeinander bezogen werden (Abbildung 2e). Dieses ist ein aufregendes Ergebnis - mit nur einem einzelnen Kalibrierungsfaktor, kann ein trEFM Bild einer Polymermischung verwendet werden, um die Leistungsfähigkeit der Solarzelle des Polymers genau vorauszusagen, die von einem bestimmten Film fabriziert wird. Man kann sich solch eine, Methode beide anzuwenden vorstellen, um neue Materialien im Labor oder als schnelle Qualitätskontrolldiagnose in einer Produktionsanlage mit filter zu versehen. Zusätzlich beachten wir, dass es möglich ist, trEFM zu verwenden, um andere Mengen Zinsen, wie räumlich-aufeinander bezogenes Ladungsabfangen und Detrapping zu überwachen.

Um das Hilfsprogramm von trEFM abzumessen wenn man solche Materialien analysiert, ist es notwendig die Grenzen der räumlicher und Zeitzu bestimmen Auflösung. Wir schätzen die Ortsauflösung unter Verwendung der Daten in der Abbildung 3a, wo ein PFB: F8BT-Mischung wird teilweise gelöscht, um ein erworbenes Gebührensatzbild freizulegen das Grundsubstrat (Indiumzinnoxid, ITO) und. Da die photoinduced Aufladung nicht auf blank ITO stattfindet, können wir die seitliche Auflösung schätzen, indem wir den Punkt bestimmen, in dem die Aufladung über die Polymer-ITO Schnittstelle sich verringert. Der Gebührensatz auf die Schnittstelle ist Hälfte das über dem Polymer. Ungefähr 90nm weg von der Schnittstelle, der Gebührensatz ist 80% des normalen Wertes; dieses bedeutet eine seitliche Auflösung im Auftrag ~100nm ist erreichbar unter Verwendung des trEFM. Das entsprechende Gebührensatzbild und das lineare Kapitel, die im Plan dargestellt werden, werden auch gezeigt. Indem wir Spannungsimpulse an einer metallischen Substratfläche anwenden, können wir die Zeitauflösung unseres aktuellen Apparates auch bestimmen. In der Abbildung 3b, wenden wir die Spannungsimpulse an, die durch 100µs und 50µs getrennt werden. An 100µs können wir eindeutige Impulse offenbar beobachten, aber an 50µs, welches die Zeitauflösungsgrenze auf die Installation eine Deckung von Signalen, diese ergibt, mit unseren ist das Lösen Gebührensätzen der Erfahrung auf tatsächlichen Polymerfilmen in Einklang. Basiert auf solchen Daten, behaupten wir, dass trEFM eine räumliche/Zeitauflösung von ~100nm/~100µs hat, beziehungsweise. Verbesserungen in der Zeitauflösung über der aktuellen Grenze 100µs hinaus würden uns nicht nur zum Bild erlauben, das schneller ist und besser lokale Transportunternehmerdynamik (das Abfangen, Transport, detrapping), studieren auf Schuppen der kürzeren Zeit, aber sie würde auch die Studie des in hohem Grade Ausführungspolymers aktivieren: Fullerene mischt ohne beträchtliche Verminderung des LED-Pumpenimpulses (der zusätzliche experimentelle Komplikationen verursachen kann).



Abbildung 3. (a) Zeile Spuren der Höhe, des Gebührensatzes, der Frequenzschichtgröße und geeigneten des Fehlers des Gebührensatzes an der Polymer ITO-Schnittstelle. Daten wurden entlang dem Bereich genommen, der im entsprechenden Gebührensatzbild angezeigt wurde (recht). Der Gebührensatz verringert bis 80% den typischen Polymergebührensatzwert ungefähr 90nm von der Polymer-ITO Schnittstelle, wie durch den gelben Kreis angezeigt. (b) prüfen Zeit-Entschlossene Spannungsimpulse auf einem ITO, getrennt durch 100µs (verließ) und 50µs (recht). Die Daten 100µs zeigen die Zeitauflösung von trEFM an; die Impulse 50µs-separated können nicht durch die aktuelle Instrumentierung klar-entschlossen sein.

Fotoleitende AtomKraft-Mikroskopie (pcAFM)

Makroskopische Kennzeichnung von Einheitsparametern wie Spannung der offenen Schaltung, schließen Strom kurz und Füllefaktor liefern Informationen über Gesamteinheitsleistung; jedoch auf der mikroskopischen Stufe, kann es schwierig sein, zu erklären, wie diese Parameter durch verschiedene Prozessbedingungen beeinflußt und Morphologien ohne direkte Maße mischen werden, die die lokalen elektronischen Eigenschaften des Filmes mit lokalen strukturellen Merkmalen aufeinander beziehen können. So zusätzlich zum trEFM, haben wir fotoleitendes FLUGHANDBUCH (pcAFM) als ergänzendes Hilfsmittel für die mikroskopische Kennzeichnung von heterogenen OPV-Filmen verwendet. Ein Verwandter leitfähigen FLUGHANDBUCHS (cAFM), pcAFM zeichnet lokale photocurrents direkt im Kontaktmodus, im Wesentlichen auf, indem er einen metallisierten FLUGHANDBUCH-Fühler als der Spitzenkontakt verwendet, um eine nanoscale Solarzelle zu bilden. Im pcAFM verwenden wir gewöhnlich fokussierte Laser-Beleuchtung zum photoexcite die Probe. Die kleine Sammelstation führt zu ein kleines photocurrent, und sogar hochwertige Einheiten mit externen Quantenausbeuten über 50%, finden wir es nützlich, Intensitätsbeleuchtung zu verwenden, um Signal zu verbessern zu lärmen. Zum Beispiel wird ein grüner Laser (KristallLaser GCL-005L, 5mW, 532nm, sehen Abbildung 1c), zu einer beugungsbegrenzten Stelle auf die Probe gerichtet und ausgerichtet mit dem Umkippung; nach Verminderung ist- die Laser-Intensität und deshalb der erwartete Beispielschaden, häufig mit der in den confocal Mikroskopieexperimenten auf biologischen Proben vergleichbar. Wir pflegen auch blaue und rote Laser wie erforderlich, um das Absorptionsspektrum des Materials übereinzustimmen, das studiert wird. Bringen Sie FLUGHANDBUCH-Spitzen mit Metallgesamtbeschichtung, normalerweise Au in Kontakt (Budget-Fühler, ContE-GB, K-~ 0.2N/m), werden für Maß verwendet. Ein kleiner setpoint Wert wird verwendet, um Zerstörung der Polymerschicht herabzusetzen während auch, um die leitfähige Beschichtung frei zu halten von der Oberflächenverunreinigung. Möglicherweise ein der beträchtlichsten praktischen Herausforderungen zur Anwendung von pcAFM erhält ein gutes elektrisches Bild, ohne beträchtlichen Schaden der Probe zu verursachen. Geduld und eine Bereitwilligkeit, viele FLUGHANDBUCH-Kragbalken im Namen der Wissenschaft zu opfern sind häufig notwendig.

Mit pcAFM reflektiert das photocurrent gemessen an einem gegebenen Einbauort die Ortsgebührgeneration Eigenschaften. Bei 0 V stellt dieser Strom den Kurzschlussstrom dar; es ist auch möglich, Kurven des Einheimischen IV an jedem Punkt aufzuzeichnen, indem man die Spannung sich unterscheidet. Wir haben pcAFM auf aktiven Schichten typischen Polymer Fullerene wie Poly- (2-methoxy-5- durchgeführt (3', 7' - dimethyloctyl-oxy) - vinylene 1,4-phenylene) (MDMO-PPV) oder Poly (3-hexylthiophene) (P3HT,), gemischt mit Phenyl- C61-butyric saurem Methylester des Fullerenederivats (6,6) - (PCBM). Wir beobachteten mikroskopische Uneinheitlichkeit in der Topographie und in Kurzschluss, die, sogar in den effizientsten MDMO-PPV/PCBM Solarzellen photocurrent sind. Die Veränderung des photocurrent andernfalls topographisch in den ähnlichen Bereichen bedeutet verschiedene unter der Oberfläche liegende Zusammensetzungen. Vor kurzem, verwendeten wir weitere pcAFM Maße auf P3HT: PCBM-Proben mit den verschiedenen Prozessbedingungen, zum des zugrunde liegenden morphologischen Beitrags zu den Änderungen in der Einheitsleistung zu studieren. Einen abgegebenen Film Zu Tempern ist ein geläufiger Verarbeitungsschritt, zum der Leistungsfähigkeit der Einheit zu verbessern. Unter Verwendung des pcAFM waren wir in der Lage, das Verhältnis zwischen photocurrent Verteilung und Ausglühen, nämlich die Zunahme direkt zu beobachten des Durchschnittes und Höchstphotocurrent mit erhöhter Glühdauer. Zum Beispiel in der Abbildung 4a und 4b zeigen wir den Topographie- und Entsprechenkurzschluß, der für ein P3HT photocurrent ist: PCBM-Film getempert für 10 Minuten. Wie mit dem MDMO-PPV: PCBM-Proben, lokale Schwankungen des photocurrent sind innerhalb der topographisch uninteressanten Bereiche offensichtlich.

Wie mit trEFM, können wir das quantitative Verhältnis zwischen den pcAFM aktuellen Informationen einschätzen, wenn wir OPV-Leistungsfähigkeit kennzeichnen, indem wir das räumlich-Durchschnitt berechnete photocurrent in pcAFM Daten mit EQE-Maßen auf den gleichen Materialien aufeinander beziehen. Wie in der Abbildung 4c gesehen werden kann, folgen die photocurrent Maße, die über pcAFM berechnet werden, der gleichen qualitativen Tendenz wie die Leistungsfähigkeit, die von den makroskopischen Einheiten erhalten wird. Dieses Ergebnis schlägt vor, dass pcAFM die mikroskopischen Untermauerung der makroskopischen Einheitsleistung prüfen kann. Die pcAFM Daten, die erworben werden, können nützlich dann sein, Elektron und Lochstrom und -mobilität von OPV-Einheiten zu extrahieren und konnten sogar verwendet werden wie ein Hilfsmittel, um optimale Mischungen und Prozessbedingungen auszuwählen. Jedoch ist es wichtig, hervorzuheben, dass, während die qualitativen Tendenzen zwischen den pcAFM Daten und dem EQE im Allgemeinen im Einverständnis sind, wir häufig quantitative Unterschiede zwischen den lokalen pcAFM Durchschnitten und den Masseneinheitseigenschaften finden. Dieses ist nicht angenommen völlig überraschendes, wir hohe Austrittsarbeitspitzen (Au, Pint) verwenden und dass Kontakteffekte erwartet werden, um irgendeine Rolle in der aktuellen Extraktion zu spielen. Tatsächlich aus diesem Grunde glauben wir, dass pcAFM Daten im Allgemeinen besser mit makroskopischer Leistung für ein örtlich festgelegtes Mischungsverhältnis aufeinander bezieht, als es über einer großen Auswahl von Spenderakzeptorkonzentrationen tut und die Bedeutung des Spitze workfunction und jeder verbundenen Einspritzungsextraktionssperre immer beachtet werden sollte, wenn man pcAFM Daten analysiert.

Zusammenfassung und Aussicht

Die BHJ-Morphologie, auf die OPVs bauen, ist extrem komplex. Das Mischen eines Elektronendonators und des Akzeptanten in einer geläufigen Lösung, gefolgt von der Drehbeschleunigungsbeschichtung, erbringt eine Morphologie, die Merkmale auf einer Vielzahl von Längenschuppen hat. Diese Merkmale beeinflussen der Reihe nach die Fähigkeit der Einheit, Excitons aufzuspalten und die Fähigkeit des Resultierens lädt auf, um einen Weg durch den Film zu steuern, um aufzutauchen, wie nützliches photocurrent. Infolgedessen ist die Leistung von OPVs in sich selbst ein lokales Eigentum. Maße auf Masseneinheiten, die einige mm2 im Bereich mit.einbeziehen implizit viel Mittelwertbildung der Einheitseigenschaften sind und viel des lokalen mikroskopischen Sonderkommandos sind nachfolgend verloren.

Die Techniken, die wir hier beschrieben haben, sind Extensionen zum Maß LeitenFLUGHANDBUCH, das mit einer Asyl-Forschung MFP-3D-BIO gemacht wird. Diese der Reihe nach haben Gebrauch erlaubt, Maße von den Morphologie-, elektrischen und optischeneigenschaften von BHJs alle auf dem nanoscale und entscheidend auf dem gleichen Bereich der Einheit zu machen. Infolgedessen sind wir in der Lage gewesen, zu machen beträchtliche Schritte nach vorn in unserem Verständnis von, wie sogar gut-gekennzeichnete OPV-Anlagen im Hinblick auf die lokale Morphologie funktionieren.



Abbildung 4. Mikroskopische Uneinheitlichkeit (a) in der Topographie und (b) photocurrent auf P3HT/PCBM mischt. 2µm Scan. (c) Wechselbeziehung zwischen räumlich-Durchschnitt berechnetem photocurrent gemessen über pcAFM und EQE-Maße für P3HT-/PCBMmischungen, die für verschiedene Zeitspannen zeigen getempert werden wieder an, dass pcAFM Daten mit erwarteter Einheitsleistung qualitativ in Einklang sind.

Es scheint, dass es viel Raum für weitere Förderung gibt. Zum Beispiel Verbesserungen in der Zeitauflösung im trEFM über der aktuellen Grenze 100µs, zum Beispiel unter Verwendung des Geräts der neueren Generation mit höherer Bandweite hinaus, konnten weitere zeit-entschlossene Experimente auf verschiedenen Anlagen wie Polymer erschließen: Fullereneeinheiten sowie verbessern den Durchsatz der Technik. Verbindene breite Spektrumbeleuchtung mit den pcAFM und trEFM Installationen würde auch Spektralanalyse des optoelektronischen Verhaltens zulassen. Weitere pcAFM Arbeit ist aktuell in einigen Gruppen unter Verwendung der niedrigeren Austrittsarbeitspitzen laufend, um einige der Beschränkungen zu vermeiden oben und möglicherweise, die behandelt werden, bessere quantitative Vereinbarung zwischen EQE zu erzielen und räumlich-berechnete photocurrent auf verschiedenen Spender-/Akzeptantmischungsverhältniseinheiten.

Während die Techniken hier im Rahmen OPV-Morphologie dargestellt werden, sollte es betont werden, dass sie in anderen photoactive Technologien nützlich auch sein können. Zum Beispiel sensibilisierte Festkörperfarbe Solarzellen, oder zusammengesetzte Photocatalysts werden erwartet, um lokale Uneinheitlichkeit aufzuweisen, die schließlich elektrische Leistung auswirken würde. trEFM und pcAFM liefern deshalb ideale Hilfsmittel für die Charakterisierung dieser Anlagen.

Quelle: „Neue Scannen-Fühler-Techniken für das Analysieren von Organischen Foto-voltaischen Materialien und von Einheiten“ durch Rajiv Giridharagopal, Guozheng Shao, Chris-Waldungen und David S. Ginger, Abteilung von Chemie, University of Washington

Diese Informationen sind Ursprungs- angepasst gewesen, wiederholt und von den Materialien, die von der Asyl-Forschung bereitgestellt werden.

Zu mehr Information über diese Quelle besuchen Sie bitte Asyl-Forschung

Date Added: Jul 1, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:24

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